2022, Vol. 44
半潜式起重拆解平台总起重能力强，在全球各海域可进行广泛应用。但这类平台的工作环境面对相对复杂恶劣的海况，其波浪砰击机理一直是海洋工程中研究的重点与难点问题[1]。
邓磊等[2]对双体船迎浪规则波中运动响应特性及其产生机理开展，发现运动曲线峰值产生的原因。杨富茗等[3]基于波浪能滑翔机研究现状的分析，提出存在的不足及其今后重点研究的建议。杨骏等[4]针对散货船三维时域波浪载荷开展研究，提出一种新的计算方法。黄柱林等[5]运用龙格库塔法对随机波浪和运动方程进行求解，得到缆索最大张力与各参数的关系。吕鸿冠等[6]对滑翔圆碟的水面漂移特性进行研究，为研究工作提供一种新思路。蔡冬林[7]提出一种方法来解决舰船液压起重机波浪补偿消摆控制问题，并验证了实用性。李丽坤[8]通过参数控制法对海浪方向谱的实现原理进行了建模分析，获得良好的性能。朱世勇[9]从频谱分析角度分析舰艇干扰力的主要因素，为仿真舰艇在海洋环境下运动提供思路。孙雪荣等[10]研究了非常规船型船体波浪载荷的强非线性行为，对相关规范的修改提出一定的建议。蒋彩霞等[11]对深水半潜平台的波浪载荷进行模型试验，为半潜平台设计提供了一定支持。以上学者大多通过模拟单一形式的波浪进行研究，而对多种条件下的波浪砰击载荷特性及分布趋势研究较少，且大多主要针对规则波作用下的载荷特性探究，真实海况条件远比规则波条件下更为复杂。
对此本文研究平台在不规则波浪及3个自由度条件下不同敏感性因素（浪向角、波高、波陡参数、迎浪立柱横截面尺寸等）影响下的平台砰击载荷特性。在平台各部位设置砰击压强监测探针，并将监测数据以时历曲线、分布曲线、变化图等方式进行整理，分析得到在平台立柱、立柱间连接区域、上甲板、上船体端壁位置的砰击载荷特性及其分布。
1 研究对象 1.1 平台相关参数本文的非对称式半潜起重平台特征在于分为主、副大小不同的浮筒结构，两侧浮筒之间无横撑连接，立柱与平台上甲板连接处使用圆弧方式连接。该平台三维模型使用Ansys Workbench建立。为了更好匹配计算机计算能力并确保数值模拟数据可用度，采用1∶50缩尺比进行数值模拟，再导入STAR CCM+进行分析。平台有限元模型及主尺度见图1和表1。
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图 1 平台有限元模型 Fig. 1 Platform finite element model |
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表 1 平台主尺度 Tab.1 Platform master scale |
对上甲板和平台立柱各主要区域布置检测探针，选取2种不同的探针形式，分别是网格探针和独立探针，对被监测区域的整体和局部进行监测。
1.3 工况选择选取API标准下墨西哥湾1 000年一遇海况即有义波高为20 m的波浪参数，采用波陡参数为0.1～0.14的工况条件。波陡参数与波浪周期及有义波高的取值关系见表2（表中均为1∶50缩尺比参数）。
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表 2 数值模拟计算工况表 Tab.2 Numerical simulation of operating conditions table |
由于研究对象平台有主副大小不同的两侧浮筒，并且浮筒与上甲板连接的两侧立柱横截面也不相同，因此选取0°，90°，270°三个波浪入射角。参考API标准选取风速为54.5 m/s以及流速为2.4 m/s。
1.4 验证不规则波可靠性采用0.4 m波高，周期为2.25 s（未缩尺前为20 m有义波高，周期为112.5 s）的不规则JONSWAP波。为验证所使用的模拟不规则波的可用性，在三维数值水池入射方向平台前方中设置虚拟浪高仪，将浪高仪监测数据与理论数据进行对比。
如图2所示，三维模拟波浪波高与理论波高基本吻合，说明在此条件下进行数值模拟的可靠度较高。
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图 2 三维模拟波浪波高与理论波高对比时历曲线 Fig. 2 Time-history curve of comparison between wave height of 3D simulationl wave height |
如图3所示，波浪传播至上游立柱时在上甲板迎浪方向出现波浪砰击现象。波浪继续传播，在2个副立柱之间的连接部位出现明显的波浪砰击，随后在下游副立柱与上甲板连接处集中出现砰击压强，与此同时主立柱之间连接部位砰击压强也逐渐加强。随着入射波浪的继续传播下游副立柱与上甲板连接处砰击压强逐渐减小，而下游主立柱与上甲板连接处的砰击压强逐渐集中。随后随着一个波浪周期结束砰击压强集中区域逐渐向中间并向上甲板后侧传播。根据整个波浪周期的压强云图可以看到，在下游主、副立柱与上甲板连接处发生了最为强烈的砰击压强，为量化研究以上2个区域压强的大小，选取下游主立柱与上甲板连接（zfh）区域和下游副立柱与上甲板连接（fwh）区域监测的压强数据进行对比，探究上甲板区域发生砰击峰值压强的位置。
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图 3 一个波浪周期内甲板区域压强云图 Fig. 3 Pressure nephogram of the upper deck area with a wave period |
如图4和图5所示，下游主立柱与上甲板连接区域砰击压强峰值远高于下游副立柱相同位置，所以可以断定上甲板区域发生砰击峰值压强的位置位于下游立柱迎浪面与上甲板连接处。
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图 4 下游主立柱与上甲板连接区域砰击压强时历曲线 Fig. 4 History curve of bang pressure in the connection area between column and upper deck |
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图 5 下游副立柱与上甲板连接区域砰击压强时历曲线 Fig. 5 History curve of bang pressure in the connection area between column and upper deck |
90°入射角工况条件下迎浪立柱为2个主立柱，根据0°入射角工况下的结论，发生砰击峰值压强的位置位于下游立柱迎浪面与上甲板连接处，为了分析发生砰击峰值压强的区域与迎浪侧立柱间跨度的关系，依然选取下游2个立柱与甲板连接处fwq区域和fwh区域监测探针监测的压强数据。
90°入射角工况条件下，上、下游两立柱尺寸相同，从图6和图7可以看出，下游2个立柱迎浪面与上甲板连接处的砰击压强时历曲线变化范围基本相同，说明本平台当上游迎浪立柱相同时下游立柱迎浪面与上甲板连接处砰击载荷效应相同。
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图 6 下游立柱fwh区域砰击压强时历曲线 Fig. 6 History curve of bang pressure in fwh region of downstream column |
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图 7 下游立柱fwq区域砰击压强时历曲线 Fig. 7 History curve of bang pressure in fwq region of downstream column |
270°入射角工况条件下迎浪立柱为2个副立柱，3种不同入射角工况条件主要变量迎浪立柱间跨度不同。从工况表中可以得知0°入射角工况迎浪侧立柱跨度最大，270°入射角工况立柱间跨度其次，90°入射角工况迎浪立柱间跨度最小。选取下立柱与甲板连接处zwq区域监测探针监测的压强数据进行分析，并与2种入射角工况进行对比探究。
图8为270°入射角工况条件下，下游立柱zwq区域砰击压强时历曲线。与0°入射角与90°入射角工况的发生砰击峰值载荷区域的砰击压强时历曲线进行对比可以发现，0°入射角工况迎浪侧立柱跨度最大同时发生砰击峰值载荷区域砰击峰值压强最大；270°入射角工况立柱间跨度其次，发生砰击峰值载荷区域砰击峰值压强比0°入射角工况略小；90°入射角工况迎浪立柱间跨度最小此时发生砰击峰值载荷区域砰击峰值压强最小。
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图 8 下游立柱zwq区域砰击压强时历曲线 Fig. 8 History curve of bang pressure in zwq region of downstream column |
0°入射角工况条件下迎浪立柱不同，因此先进行迎浪立柱的载荷特性研究。如图9所示，在t=21.21 s时主立柱上半部分的压强明显大于副立柱同区域，随着入射波浪继续传播主立柱上半部分的压强逐渐变大并逐渐向上增强，副立柱虽同样的变化，但幅度不及主立柱。迎浪立柱发生峰值压强的位置位于立柱迎浪面下方，随着入射波浪的不断向后方传播，该区域的压强随之变大，对比主、副立柱迎面下方区域，主立柱一侧的压强比副立柱同区域明显更大。由此可知，上甲板区域发生砰击峰值压强的位置位于下游主立柱与上甲板连接区域，所以有必要对下游立柱区域的载荷特性进行研究。
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图 9 一个波浪周期内上游立柱压强云图 Fig. 9 Pressure nephogram of wave-facing column in a wave period |
如图10所示，当入射波浪传播至下游立柱时，副立柱迎浪面首先出现较为强烈的砰击，并且向上传递的趋势比主立柱更为明显。随后在下游副立柱迎浪面与上甲板连接区域出现载荷集中，此时的主立柱同区域并未出现明显的载荷集中。随着波浪继续传播，下游副立柱迎浪面与上甲板连接区域的载荷逐渐变弱，但主立柱与上甲板连接区域出现了更为强烈的载荷集中。随后下游主立柱迎浪面这个区域载荷都极具增高，而下游副立柱迎浪面的载荷则继续减弱。这说明在上游两侧立柱不同时，平台立柱区域发生砰击载荷集中增强的位置会首先出现下游副立柱迎浪面与上甲板连接区域，随着入射波浪的继续传播主立柱迎浪面与上甲板连接区域会发生更为明显的砰击载荷集中增强。推测出现这种现象的原因是副立柱对于入射波浪的阻碍作用有限，入射波浪首先会对下游立柱迎浪面产生砰击，但是由于主立柱对波浪的阻碍作用上游主立柱周围水体会发生如波浪爬升、边波、漩涡等水体变化，会对使波浪向后传递过程变长，使得下游主立柱迎浪面发生砰击的时间点向后延迟，由于水体的剧烈变化反而会放大入射波浪对该区域的砰击效应，所以该区域的砰击压强明显高于其他位置。
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图 10 一个波浪周期内下游立柱压强云图 Fig. 10 Pressure nephogram of downstream column in a wave period |
对90°入射角及270°入射角2种工况条件下下游立柱区域的载荷特性进行研究。
如图11和图12所示，在波浪入射角为90°与270°时，下游两侧立柱迎浪面的载荷分布基本相同，发生峰值载荷的位置都位于立柱下方中间位置，从波浪传播至下游立柱并产生砰击砰击效应时，压强从下游两侧立柱迎浪面的下部逐渐沿柱面向上增加，在波浪作用初期压强在沿柱面向上增加的同时有向内集中趋势。
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图 11 90°入射角一个波浪周期内下游立柱压强云图 Fig. 11 Pressure cloud of the downstream column at an incident Angle of 90° |
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图 12 270°入射角一个波浪周期内下游立柱压强云图 Fig. 12 Pressure nephogram of the downstream column in a wave at an incident Angle of 270° |
采用20 m有义波高，周期为112.5 s的不规则JONSWAP波进行三维数值模拟，探究在0°，90°，270°波浪入射角工况条件下平台的上甲板区域和平台立柱区域砰击载荷特性及分布规律，结论如下：
1）对于上甲板区域0°入射角工况时发生砰击峰值载荷区域压强最大；270°入射角工况发生砰击峰值载荷区域压强较小；90°入射角工况时发生砰击峰值载荷区域压强最小。各工况条件决定砰击峰值压强大小的因素是迎浪侧立柱跨度，跨度与峰值压强呈正相关规律。
2）研究0°波浪入射角平台立柱砰击载荷分布时发现下游立柱出现峰值砰击压强的位置先出现在下游副立柱迎浪面与上甲板连接区域随后又出现在下游主立柱迎浪面与上甲板连接区域，推论出现原因为上游两侧不同立柱对入射波浪产生不同的影响从而使峰值砰击压强的位置发生改变。
3）90°与270°波浪入射角工况条件下平台立柱砰击载荷分布基本相同，发生峰值载荷的位置都位于立柱下方中间位置，且在波浪作用下压强在沿柱面向上增加的同时有向内集中趋势。
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